CN103748814B - 基于正交频分复用的光通信中的信道估计 - Google Patents

Abstract

一种用于光通信的技术，其使用光正交频分复用OFDM，包含：运行信号发送器以调制激光来产生已调制光，其在光域中运载用于运载通信信息的OFDM子载波，而在OFDM子载波之间无防护频带，以及运载用于在信号接收器处进行信道估计的导频子载波，每个导频子载波不含有通信信息；以及控制导频子载波的光功率以随着导频子载波的光频率变化，以便处于高的光频率的导频子载波的光功率不同于处于低的光频率的另一个导频子载波的光功率。

Description

基于正交频分复用的光通信中的信道估计

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2011年8月12日提交的、序列号为61/523,234的美国临时专利申请的权利。将前述专利申请的全部内容通过引用合并为本申请的公开内容的一部分。

背景

本专利文档涉及光通信、以及相关设备、系统和技术，包含基于光正交频分复用的光通信。

光正交频分复用（OOFDM）由于其消除光纤色散（CD）和偏振模色散（PMD）的电平衡的潜能，一直被积极地研究。而且，高频谱效率使它对未来高容量信号传输具有吸引力。光OFDM系统大体上可以分成两种类型：相干光OFDM（CO-OFDM）系统和直接检测光OFDM（DDO-OFDM）系统。通常地，CO-OFDM在接收器敏感度、频谱效率和抗偏振模色散的鲁棒性方面展现出比较好的性能。然而，发送器和接收器更加复杂和昂贵。相反地，DDO-OFDM系统实现起来容易得多，并且具有低成本的优点。

发明内容

本文档提供了基于在子载波之间无保护频带的基带双边带（DSB）DDO-OFDM系统中的导频而执行信道估计的光通信系统、设备和方法、以及其他。可以通过改善系统对于SSMI和FF的容忍度的方式来实现本方法。

我们通过实验的方式研究了导频功率分配对于基带直接检测光OFDM系统中的信道估计性能的影响。通过比较五个导频功率分配示例性方案，我们发现了具有首先减小的然后增加的导频功率的导频功率分配方案具有最紧密的和最清楚的集群以及最好的比特误码率（BER）性能。本方案经受频率衰落（FF）引起的最少的功率衰减和子载波至子载波混频干扰SSMI。

附图说明

图1描述了采用QPSK调制方案的IM-DDOOFDM传输系统的实验设置。ECL：外腔激光器，PC：偏振控制器，EDFA：掺铒光纤放大器，ATT：衰减器。(i)：光载波频谱；(ii)：基带光OFDM信号的光频谱；(iii)，(iv)：经50km和100kmSMF传输之后OFDM信号的光频谱。

图2训练序列和导频的配置。

图3A和3B传输之前（A）的和经100kmSMF光纤传输之后（B）的OFDM信号的电频谱。

图4不同导频功率分配方案。

图5A-5E采用方案(i)-(v)的经100kmSMF传输之后的集群。

图6BER对比接收的光功率的曲线。

具体实施方式

传统的DDO-OFDM系统在光载波和OFDM信号之间需要防护频带（FGB）以避免光载波附近的子载波至子载波混频干扰（SSMI）。FGB的存在占用了宝贵的频谱空间，因此减低了用于传输信息的频谱空间。这降低了系统频谱效率。

一种改善系统频谱效率的方法是在消除SSMI的同时去除FGB。本文所述的实现方案中，双边带DSB调制可以用于提供不含有FGB的信号调制。与单边带（SSB）调制相比，DSB不需要IQ外部调制器或其他的尖锐的光带通滤波器（OBF）。使用DSB方案的一个优点是简化了发送器的配置且减低了系统的成本。DSBDDO-OFDM系统可能受光纤色散引起的频率衰落（FF）的影响。许多技术已经被提出并被实验性地演示来克服这些问题。曹等人借助于子载波调制、比特交织器（bitinter-leavers）和turbo编码技术提出并演示了不含有FGB的高光频谱效率DDO-OFDM系统。

本文档提出了一种基于无FGB的基带DSBDDO-OFDM系统中的导频进行信道估计的新方法。可以通过改善系统对于SSMI和FF的容忍度来实现本方法。

信道估计是光OFDM系统中的重要的程序。通过信道估计可以获得光纤传输链路对于传输的信号的物理影响，并且可以使用后续的信道均衡来恢复信号。

通过各种光学和电气部件以及光纤传输之后，系统中的例如SSMI和FF的减损将使OFDM信号质量劣化。处于不同频率处的不同OFDM子载波可能经受不同的失真。因此我们通过几个不同的功率分配方案设置导频以研究导频功率分配对于信道估计性能的影响。

在一个方面，提供了基于OFDM的光通信的方法，其包含运行信号发送器以调制激光来产生已调制光，其在光域中运载用于运载通信信息的OFDM子载波，而在OFDM子载波之间无防护频带，以及运载用于在信号接收器处进行信道估计的导频子载波，每个导频子载波不含有通信信息。这个方法包含控制导频子载波的光功率以使其随着导频子载波的光频率变化，以便处于高的光频率的导频子载波的光功率不同于处于低的光频率的另一个导频子载波的光功率。

在另一个方面，提供了基于OFDM的光通信的信号发送器，其包含信号发送器模块，其产生用于运载通信信息的OFDM子载波，而在OFDM子载波之间无防护频带，以及运载用于在信号接收器处进行信道估计的导频子载波，每个导频子载波不含有通信信息；激光器，其产生激光；以及光调制器，其接收和调制激光产生调制的激光，光调制器被耦合为接收OFDM子载波和导频子载波并在调制激光时应用OFDM子载波和导频子载波以在光域中运载OFDM子载波和导频子载波。控制导频子载波的光功率以使其随着导频子载波的光频率变化，以便处于高的光频率的导频子载波的光功率不同于处于低的光频率的另一个导频子载波的光功率。

提供了一种基于OFDM的用于光通信的光通信系统，其包含光发送器，其包括（1）信号发送器模块，其产生用于运载通信信息的OFDM子载波，而在OFDM子载波之间无防护频带，运载用于在信号接收器处进行信道估计的导频子载波，以及运载用于在信号接收器处进行时间同步的训练序列子载波，（2）激光器，其产生激光，以及（3）光调制器，其接收和调制激光产生调制的激光，光调制器被耦合为接收OFDM子载波、导频子载波和训练序列子载波并在调制激光时应用OFDM子载波、导频子载波和训练序列子载波以在光域中运载OFDM子载波、导频子载波和训练序列子载波。控制导频子载波的光功率以使其随着导频子载波的光频率变化，以便处于高的光频率的导频子载波的光功率不同于处于低的光频率的另一个导频子载波的光功率。本系统包含接收光发送器产生的调制的激光的光接收器。光接收器包含将接收的已调制的激光转换成电信号的光电二极管，并且可操作来处理电信号中的训练序列子载波来测量子载波频率处的频率响应，且处理电信号中的导频子载波以测量训练序列和相应的OFDM数据帧之间的相移。

图1显示了强度调制DDO-OFDM（IM-DDO-OFDM）传输系统的示例的系统。这是一个测试系统，是为了演示所述方法的操作而构建的。通过使用随机波形发生器（AWG）来产生电OFDM信号。使用MATLAB程序来产生时域波形，包含将伪随机二进制序列（PRBS）数据映射到多种OFDM符号中的对应的QPSK子载波中，其然后被使用256级IFFT转换到时域中，并且通过循环前缀将QPSK子载波插入。在我们的实验中有256个子载波，其中192个用于数据，8个用于导频且56个子载波被设置为零以用于过采样。因为映射到数据和导频子载波中的符号是共轭对称的，所以只有一半有用信息，然而输出的OFDM信号是实时的。循环前缀是1/8OFDM周期，每个OFDM帧中会有32个循环前缀样本。将作为训练序列的已知信息的帧插入在每个OFDM块中的数据帧的前面，以用于时间同步和信道粗估计。例如，用于我们的测试系统的电OFDM信号的振幅（Vp-p）是2V。

采用产生的基带OFDM信号来驱动Mach-Zehnder（MZM）外部调制器来调制激光器（例如外腔激光器（ECL））产生的CW光波（例如，具有功率为14.5dBm的）。然后将功率为2.9dBm的光OFDM信号输入到两段具有色散为17ps/nm/km和插入损耗为0.2dB/km的50km标准单模光纤（SMF）中。经第一段50kmSMF后，光OFDM信号的功率为-7.1dBm，然后由EDFA将其放大到2dBm。经第二段50kmSMF后，EDFA的输出功率是8dBm。在接收侧，光OFDM信号被检测出来并被光电二极管转换成电OFDM信号，例如高速PIN。被转换的电OFDM信号由市售实时滤波器进行采样，且然后被作为OFDM接收器的MATLAB程序进行离线处理。训练序列和导频信息被提取以完成信道估计和均衡。

在这个例子中，同时使用训练序列和导频以提取信道信息。然后采用最小方差（LS）算法来计算信道传递函数。此外，应用三次样条插值来恢复数据子载波。训练序列是位于每个OFDM块首部的已知符号串，用于在每个子载波频率处获得频率响应。导频被插入已知数值以估计训练序列和当前数据帧之间的相移。图2中显示了训练序列和导频配置的例子。在OFDM块中考虑了1个训练序列帧和160个数据帧。

通过比较图3A和3B显示的发送的和接收的OFDM信号的电频谱，明显的是不同频率分量经受不同的劣化。整体而言，处于较高频率的OFDM子载波会得到更大衰减。所以基于相等的功率的导频的传统的信道估计不能很好工作。我们给导频分配不同功率以研究导频功率分配对于信道估计性能的影响。图4显示了导频功率分配的五种方案。随着频率增加，它们是(i)相等的功率，(ii)减小的功率，(iii)增加的功率，(iv)首先增加然后减小的功率，(v)首先减小然后增加的功率。如图4显示，子载波是共轭对称的。

图5A-5E和图6分别显示了集群和根据接收的OFDM信号的光功率函数而测出的BER。图5A-5E表明了图5E中的集群的分布是最紧密和最清楚的。图6中的测量结果间接表明使用方案（i-v）的经100kmSMF传输之后在1x10^-3的BER接收器对于OFDM信号的敏感度分别是-21.3，-20.6，-22.3，-20.9和-22.7dBm。所以方案（v）相对于相等的功率的情况能够较好地改善系统性能。

这个特征可以由如下因素进行解释。首先，关于每个子载波的衰落深度，OFDM信号的不同子载波的振幅是与子载波索引成比例的，以至于处于高频率端的OFDM子载波相对于处于低频率端的子载波将得到更大的衰减。因此，色散诱发的频率衰落FF对于处于较高频率的子载波比处于较低频率的子载波可以引起更大的功率衰减。其次，在平方律光子探测器中进行光载波和OFDM信号的子载波之间的跳动可以恢复电OFDM信号。在平方律光子探测器中进行的OFDM子载波之间的跳动将产生SSMI，其将使接收的OFDM信号劣化。子载波频率越低，SSMI就变得越强。因此，更接近光载波的子载波受到更强的干扰，以至于子载波更加偏离光载波。因此在方案（v）中，同时在较低和较高频率处设置比较大的功率来改善性能。

此外，方案（iii）相对于方案（i）和（ii）更好地工作。一个合理的解释是FF引起的功率衰减相对于SSMI引起的功率衰减对系统性能具有更大的影响。相对于在较低的频率处，在较高的频率处进行增加的功率的分配可以降低系统的减损。这个方面通过相对于方案（ii）中的性能的方案（iv）中改善的性能得到了演示。

因此，使用图1中的系统来研究导频功率对于DDO-OFDM基带系统中的信道估计的性能的影响。在我们的测试中使用的导频，被设置了几个不同的功率分配方案，并且实验结果显示了使用方案（i-v）的经超过100kmSMF传输之后接收器在10^-3的BER对于OFDM信号的敏感度分别是-21.3，-20.6，-22.3，-20.9和-22.7dBm。所以与其他方案相比，首先在较低频率处减小然后在较高频率处增加导频功率的方案可以用于显著地改善信道估计性能。

在所公开的和其他实施方式、模块和函数运算中的某些特征或方面可以实现在数字电路中、或者在计算机软件、固件、或硬件中，包含本文档中公开的若干结构和它们的结构化等同物、或它们中的一个或多个的结合。所公开的和其他的实施方式可以被实现为一个或多个计算机程序产品，即，用于由数据处理装置执行的，或者用于控制数据处理装置操作的被编码于计算机可读介质中的一个或多个计算机程序指令模块。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基底、存储器设备、影响机器可读传播信号的混合物、或者一个或多个它们中的组合。术语“数据处理装置”囊括了用于处理数据的所有装置、设备、和机器，包含例如可编程处理器、计算机、或多处理器或若干计算机。装置除了硬件可以包含代码，该代码创建本文讨论的计算机程序的执行环境，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统，或者它们中的一个或多个组合的代码。传播信号为人为产生的信号，例如，机器产生的电、光、或电磁信号，其被产生以对信息进行编码来传输到适当的接收器装置。

计算机程序（也称为程序、软件、软件应用、脚本、或代码）可以以任何形式的编程语言进行编写，其包含编译的或解释的语言，并且它可以以任何形式进行部署，其包含作为独立的程序或者作为适用于计算环境的模块、部件、子程序、或其他单元的形式。计算机程序不必对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其它程序或数据（例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本）的文件的一部分中、存储在一个专用于本文讨论的程序的单独的文件中，或者存储在多种相互协调的文件（例如，存储一个或多个模块、子程序、或代码的若干部分的若干文件）中。可以部署计算机程序以使其在一个计算机上或者在位于一个位置上或分布在多个位置上的且通过通信网络互连的多个计算机上进行执行。

一个或多个可编程处理器可以履行本文档中描述的过程和逻辑流程，处理器执行一个或多个计算机程序以通过对输入数据进行操作并产生输出数据来履行若干功能。通过专用逻辑电路（例如，FPGA（现场可编程门阵列）或ASIC（专用集成电路））也可以履行过程和逻辑流程，并且装置也可以被实现为专用逻辑电路。

适用于执行计算机程序的处理器包括，例如，通用和专用微处理器两者、以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常地，处理器将从只读存储器或随机访问存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件为用于履行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常地，计算机也将包含，或被运转地进行耦合以从一个或多个海量存储设备（例如磁盘、磁光盘、或光盘）接收数据或传输数据至一个或多个海量存储设备或既接收数据又传输数据。然而，计算机不必含有这些设备。适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包含所有形式的非易失存储器、介质和存储器设备，包含，例如，半导体存储器设备，例如，EPROM、EEPROM、和闪速存储器设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及CDROM和DVD-ROM磁盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路进行补充或合并在专用逻辑电路中。

虽然本文档包含许多细节，这些不必解释为对所要求的发明或可能要求的范围的限制，而是解释为具体到特定实施方式的特征的描述。本文档以独立的实施方式为背景描述的某些特征也可以以组合的方式实现在单一的实施方式中。相反地，以单一的实施方式为背景进行描述的不同的特征也可以以多个独立的实施方式实现或以任何适合的子组合的方式实现。而且，尽管特征可以如上描述为以某种组合的方式起作用，甚至可以如此进行初始要求，但是在某些场景下来自所要求的组合的一个或多个特征可以从组合中进行删除，并且所要求的组合可以针对子组合或子组合的变体。类似地，虽然在如图中以特定的顺序描述了若干操作，然而这不应被理解为要求这些操作以显示的特定的顺序或按照顺序进行履行，或者要求所有示出的操作都进行执行，以达到预期的结果。

仅公开了一些例子和实现。基于所公开的内容可以对所描述的例子、实现和其它实现做出变化、修改和增强。

Claims (11)

1.一种基于光正交频分复用OFDM的光通信的方法，包括：

操作信号发送器以调制激光来产生已调制激光，所述已调制激光在光域中运载用于运载通信信息的OFDM子载波和用于在信号接收器处进行信道估计的导频子载波，在所述OFDM子载波之间无防护频带，每个导频子载波不含有通信信息；以及

控制所述导频子载波的光功率随着所述导频子载波的光频率变化，以便处于高的光频率的导频子载波的光功率不同于处于低的光频率的另一个导频子载波的光功率；

其中，将处于高的光频率的导频子载波设定为相比于处于低的光频率的另一个导频子载波具有更高的光功率，以减少在所述信号接收器处的信号劣化；或者，将处于低的光频率的导频子载波的光功率设定为减小，同时将处于高的光频率的导频子载波的光功率设定为增大。

2.如权利要求1所述的方法，包括：

给所述导频子载波指定相应的数值以提供在所述信号接收器处的相移的度量。

3.如权利要求1所述的方法，包括：

在运行所述信号发送器调制所述激光的过程中，随同产生用于运载通信信息的所述OFDM子载波和用于信道估计的导频子载波，产生用于在所述信号接收器处进行时间同步的训练序列子载波。

4.如权利要求3所述的方法，其中：

所述训练序列子载波被插入在OFDM块的前面。

5.如权利要求3所述的方法，包括：

在所述信号接收器处，处理所述训练序列子载波以测量子载波频率处的频率响应。

6.如权利要求3所述的方法，包括：

在所述信号接收器处，处理所述导频子载波以测量所述训练序列和相应的OFDM数据帧之间的相移。

7.如权利要求1所述的方法，其中：

对所述激光的调制基于双边带调制。

8.一种用于基于光正交频分复用OFDM的光通信的信号发送器，包括：

信号发送器模块，所述信号发送器模块产生用于运载通信信息的OFDM子载波和在信号接收器处进行信道估计的导频子载波，在所述OFDM子载波之间无防护频带，每个导频子载波不含有通信信息；

激光器，所述激光器产生激光；以及

光调制器，所述光调制器接收和调制所述激光以产生已调制激光，所述光调制器被耦合以接收所述OFDM子载波和所述导频子载波并在调制所述激光时应用所述OFDM子载波和所述导频子载波以在光域中运载所述OFDM子载波和所述导频子载波；

其中所述导频子载波的光功率被控制以随着所述导频子载波的光频率变化，以便处于高的光频率的导频子载波的光功率不同于处于低的光频率的另一个导频子载波的光功率；其中

处于高的光频率的导频子载波相比于处于低的光频率的另一个导频子载波具有更高的光功率；或者，处于低的光频率的导频子载波的光功率被设定为减小，同时处于高的光频率的导频子载波的光功率被设定为增大。

9.如权利要求8所述的信号发送器，其中

所述信号发送器模块随同产生用于运载通信信息的所述OFDM子载波和用于信道估计的导频子载波还产生用于在所述信号接收器处进行时间同步的训练序列子载波。

10.一种用于基于光正交频分复用OFDM的光通信的光通信系统，包括：

光发送器，所述光发送器包含(1)信号发送器模块，所述信号发送器模块产生用于运载通信信息的OFDM子载波、用于在信号接收器处进行信道估计的导频子载波、用于在所述信号接收器处进行时间同步的训练序列子载波，其中，在所述OFDM子载波之间无防护频带，(2)激光器，所述激光器产生激光，以及(3)光调制器，所述光调制器接收和调制所述激光以产生已调制激光，所述光调制器被耦合以接收所述OFDM子载波、所述导频子载波和所述训练序列子载波并在调制所述激光时应用所述OFDM子载波、所述导频子载波和所述训练序列子载波，以在光域中运载所述OFDM子载波、所述导频子载波和所述训练序列子载波，其中所述导频子载波的光功率被控制以随着所述导频子载波的光频率变化，以便处于高的光频率的导频子载波的光功率不同于处于低的光频率的另一个导频子载波的光功率；其中，处于高的光频率的导频子载波相比于处于低的光频率的另一个导频子载波具有更高的光功率，或者，处于低的光频率的导频子载波的光功率被设定为减小，同时处于高的光频率的导频子载波的光功率被设定为增大；以及

光接收器，所述光接收器接收所述光发送器产生的已调制的激光，所述光接收器包含光电二极管，所述光电二极管将所接收的已调制激光转换成电信号，并且所述光接收器可操作来处理所述电信号中的训练序列子载波以测量子载波频率处的频率响应，且处理所述电信号中的导频子载波以测量在所述训练序列和相应的OFDM数据帧之间的相移。

11.如权利要求10所述的系统，其中

所述训练序列子载波被插入在OFDM块的前面。